Evaluation of a prototype artificial life model to simulate the interactions between the human immune system, human papillomavirus type 16 and therapeutic vaccines

Abstract

Objective

To evaluate the artificial life model that simulates behaviours based on interactions occurring between the human immune system, the life cycle of human papillomavirus type 16, and certain types of therapeutic vaccines through virtual experiments on the constructed prototype.

Materials and methods

We developed the HPV16-ALIFE prototype using artificial life techniques to be used as a virtual laboratory. To evaluate the model, we analysed the responses of the simulated immune system under two circumstances: when a persistent infection is present that originates from HPV16 and causes lesions, and when the nanodevice releases a dose as part of a therapeutic vaccination strategy. Performing virtual trials means we can produce results for subsequent analysis and comparison with real-world clinical data.

Results and conclusions

The simulations enabled us to observe the proliferation of different cell populations considered in the model, levels of viral protein expression and cytokine secretion, transition stages of the developing infectious process-, low- and high-grade intraepithelial lesions, pre-cancer, and cancer status. The virtual patients who did not receive vaccines developed cancer status with peak rates of 18.86%. The patients who received a vaccination strategy reported a significant decrease in their cancer status, with peak rates varying between 0.48% and 3.12%, according to the specifications associated with each vaccine evaluated. The simulated immune system proved responsive to the activity of the virus and the vaccine.

Resumen

Objetivo

Evaluar el modelo de vida artificial que simula comportamientos basados en interacciones que emergen entre el sistema inmune humano, ciclo de vida del virus de papiloma humano tipo 16 y algunos tipos de vacunas terapéuticas, a través de experimentos virtuales que se corren sobre el prototipo construido.

Materiales y métodos

Bajo técnicas de vida artificial desarrollamos el prototipo HPV16-ALIFE para ser utilizado como laboratorio virtual. Para evaluar el modelo, analizamos las respuestas del sistema inmune simulado en ambas circunstancias: cuando se presenta una infección persistente que se origina en HPV16 y causa lesiones, y cuando el nanodispositivo libera una dosis que hace parte de una estrategia de vacunación terapéutica. La ejecución de ensayos virtuales permite producir resultados para su posterior análisis y confrontación con datos clínicos del mundo real.

Resultados y conclusiones

Las simulaciones realizadas permitieron observar la proliferación de diferentes poblaciones celulares consideradas en el modelo, niveles de expresión de proteínas virales y secreción de citoquinas, estados de transición del proceso infeccioso en desarrollo, lesiones intraepiteliales de bajo y alto grado, condiciones de pre-cáncer y cáncer. Pacientes virtuales que no recibieron vacunas, desarrollaron condiciones de cáncer con tasas máximas de 18.86%. Pacientes que recibieron alguna estrategia de vacunación, reportaron un descenso significativo en su condición de cáncer, con tasas máximas que variaron entre 0.48% y 3.12%, según las especificaciones asociadas a cada vacuna en evaluación. El sistema inmune simulado mostró tener capacidad de respuesta ante la actividad del virus y la vacuna.